新能源汽車概論 3-2

新能源汽車概論

第1

頁第3章電動汽車儲能裝置新能源汽車概論

第2

頁3.3燃料電池一、燃料電池基本原理二、燃料電池的特點(diǎn)三、燃料電池分類四、常見燃料電池新能源汽車概論

第3

頁燃料電池概述

燃料電池（FuelCell，F(xiàn)C）是一種化學(xué)電池，它直接把物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋出的能量變換為電能。工作時(shí)需要連續(xù)地向其供給活物質(zhì)（起反應(yīng)的物質(zhì)）—燃料和氧化劑。把燃料通過化學(xué)反應(yīng)釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵?，所以被稱為燃料電池。新能源汽車概論

第4

頁直接發(fā)電間接發(fā)電傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電燃料電池發(fā)電新能源汽車概論

第5

頁傳統(tǒng)技術(shù)內(nèi)燃機(jī)化學(xué)能電能熱能動能燃料電池直接發(fā)電間接發(fā)電新能源汽車概論

第6

頁

原電池電能活性物質(zhì)減少電能補(bǔ)充燃料燃料電池燃料消耗燃料供應(yīng)系統(tǒng)蓄電池電能活性物質(zhì)減少電源活性物質(zhì)增多充電放電可逆反應(yīng)原電池蓄電池燃料電池燃料電池的一般結(jié)構(gòu)氫燃料電池的一般結(jié)構(gòu)排熱多,效率低廢氣多,不環(huán)保氫燃料電池奔馳公共汽車造價(jià)180萬美元最高時(shí)速70公里／小時(shí)

2006年06月20日燃料電池公交車北京試運(yùn)行長12米，寬2.55米，高3.688米載客量為70人車內(nèi)恒溫23攝氏度新能源汽車概論

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頁蓄電池+氫燃料電池奔馳公共汽車鋰離子電池(27千瓦每小時(shí))氫氣總量為35公斤充氣時(shí)間也僅需8至10分鐘續(xù)航里程是300多公里德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院南北校區(qū)公交專線新能源汽車概論

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頁華南理工質(zhì)子交換膜燃料電池示范電站投資1850萬元占地僅2000平方米

能量利用率可達(dá)90%

功率300kw天然氣制氫1立方米天然氣生成約2立方米氫氣制氫效率提高20%～30%比燃燒天然氣發(fā)電量至少高30%污染物排放減少60%新能源汽車概論

第13

頁基本原理簡圖一、燃料電池基本原理新能源汽車概論

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頁化學(xué)反應(yīng)一、燃料電池基本原理陽極陰極總反應(yīng)新能源汽車概論

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頁主要優(yōu)點(diǎn)二、燃料電池的特點(diǎn)1.節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率高；（60-70%）2.排放基本達(dá)到零污染；3.無振動和噪聲、使用壽命長；4.結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)。新能源汽車概論

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頁

存在的問題三、燃料電池的特點(diǎn)1.燃料種類單一，氫燃料不易獲?。?.要求高質(zhì)量的密封，不易儲存；3.價(jià)格高，制造成本高；4.需要配備輔助電池系統(tǒng)。新能源汽車概論

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頁按照運(yùn)行機(jī)理

分為酸性、減性燃料電池。按其電解質(zhì)類型質(zhì)子交換膜燃料電池堿性燃料電池磷酸燃料電池固體氧化物燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池按照燃料使用類型

分為直接式、間接式和再生燃料電池三類。三、燃料電池分類新能源汽車概論

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頁按照工作溫度

分為超高溫、高溫、中溫、低溫三類。（1000℃以上；750-1000℃；200-750℃；200℃以下）

按照燃料種類

分為氫、甲醇、乙醇燃料電池等。按燃料狀態(tài)分為液體型、氣體型燃料電池。三、燃料電池分類新能源汽車概論

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頁1.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）四、常見燃料電池

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）采用可傳導(dǎo)離子的聚合膜作為電解質(zhì)。

聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEFC）固體聚合物燃料電池（SPFC）固體聚合物電解質(zhì)燃料電池（SPEFC）。PEMFC:ProtonExchangeMembraneFuelCell新能源汽車概論

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頁1.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）四、常見燃料電池（1）結(jié)構(gòu)氣體流道氣體流道質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜燃料單電池結(jié)構(gòu)示意圖新能源汽車概論

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頁質(zhì)子交換膜燃料電池組成質(zhì)子交換膜催化劑層擴(kuò)散層集流板流場板電極膜電極質(zhì)子交換膜燃料電池連接各電極集流、通氣、排水開槽石墨板進(jìn)氣引導(dǎo)新能源汽車概論

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頁全氟磺酸樹脂復(fù)合質(zhì)子交換膜集流板質(zhì)子交換膜燃料電池組件膜電極

高分子電解質(zhì)(電解質(zhì))集流板膜電極組(陽極/電解質(zhì)/陰極)單電池質(zhì)子交換膜燃料單電池結(jié)構(gòu)Membraneelectrodeassembly新能源汽車概論

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頁平面式(Planar)疊堆式

(Stack)電池組結(jié)構(gòu)新能源汽車概論

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頁陰極薄膜陽極電子連接器燃料空氣單格電池間連接平面式疊堆式新能源汽車概論

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頁疊堆式結(jié)構(gòu)雙極板新能源汽車概論

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頁質(zhì)子交換膜燃料電池外觀新能源汽車概論

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頁電池連接方式及應(yīng)用KWMWWmWPlanarStackLayoutPowerApplications手機(jī),PDA數(shù)碼相機(jī)

筆記本電腦小型交通工具便攜式電源電動汽車發(fā)電新能源汽車概論

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頁(2)工作原理PEMFC在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。

陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所陰極為氧化劑還原的場所兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)1.質(zhì)子交換膜燃料電池四、常見燃料電池PEMFC的工作原理示意圖新能源汽車概論

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頁H2e-H+H+e-O2H2e-e-H+H+H2OH2O陽極陰極質(zhì)子交換膜電能氧氣廢水熱質(zhì)子氫氣單格電池電子新能源汽車概論

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頁氫氣通過陽極集流板（雙極板）經(jīng)由陽極氣體擴(kuò)散層到達(dá)陽極催化劑層;在陽極催化劑作用下，氫分子分解為帶正電的氫離子（即質(zhì)子）并釋放出帶負(fù)電的電子，完成陽極反應(yīng)：

1.質(zhì)子交換膜燃料電池四、常見燃料電池(2)工作原理新能源汽車概論

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頁

陰極催化劑的作用下，氧與透過膜的氫離子及來自外電路的電子發(fā)生反應(yīng)生成水，完成陰極反應(yīng)：1.質(zhì)子交換膜燃料電池電池總的反應(yīng)為四、常見燃料電池(2)工作原理新能源汽車概論

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頁1.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）四、常見燃料電池（3）特點(diǎn)效率高；零排放；噪聲低、可靠性高；維護(hù)方便；發(fā)動效率平穩(wěn)；氫來源廣泛；技術(shù)成熟。成本高；純度要求高。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)新能源汽車概論

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頁1.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）四、常見燃料電池（4）質(zhì)子交換膜較長的使用壽命；較低的制造成本；較高的質(zhì)子電導(dǎo)率和電子絕緣性；在100℃以上仍有較高的含水量和電導(dǎo)率；熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高；具有足夠的強(qiáng)度和柔韌性等。質(zhì)子交換膜基本要求新能源汽車概論

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頁1.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）四、常見燃料電池（5）應(yīng)用根據(jù)PEMFC的使用特點(diǎn)，其應(yīng)用可分為固定型和移動型兩大類。前者主要為燃料電池發(fā)電廠用或家用，后者主要為車用和便攜式電子器具使用。新能源汽車概論

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頁2.堿性燃料電池（AlkalineFuelCell，AFC）四、常見燃料電池（1）原理新能源汽車概論

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頁陽極和陰極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)為

總的反應(yīng)為四、常見燃料電池2.堿性燃料電池（AlkalineFuelCell，AFC）外電路內(nèi)電解質(zhì)新能源汽車概論

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頁2.堿性燃料電池（AlkalineFuelCell，AFC）四、常見燃料電池（2）特點(diǎn)AFC工作溫度低（80℃），啟動較快?？梢杂脙r(jià)格低的耐堿塑料制作電池本體；可以用鎳作催化劑，而不用高價(jià)的鉑。效率高。（50-55%）缺點(diǎn)是電池對燃料中的CO2敏感，電解液與CO2接觸會生成碳酸根離子，從而影響輸出功率；另外AFC需要冷卻裝置維護(hù)其較低的工作溫度。新能源汽車概論

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頁2.堿性燃料電池（AlkalineFuelCell，AFC）四、常見燃料電池（3）應(yīng)用堿性燃料電池是最早研究成功并得以應(yīng)用的燃料電池。20世紀(jì)60年代，AFC用于阿波羅號航天飛機(jī)，這是AFC首次出現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中。目前AFC是技術(shù)最成熟的燃料電池之一。新能源汽車概論

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頁3.磷酸燃料電池（PhosphoricAcidFuelCell，PAFC）四、常見燃料電池（1）原理磷酸為電解質(zhì)，由兩塊涂有催化劑的多孔碳素板電極和經(jīng)濃磷酸浸泡的碳化硅系電解質(zhì)保持板組合而成。通過具有隔離與集流雙功能的雙極性板，將單電池串聯(lián)成電池組。燃料氣中的氫氣在正極表面反應(yīng)生成氫離子并釋放出電子，而氫離子通過電解質(zhì)層遷移至負(fù)極，其電極反應(yīng)與PEMFC一樣。新能源汽車概論

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頁3.磷酸燃料電池（PhosphoricAcidFuelCell，PAFC）四、常見燃料電池（2）特性構(gòu)造簡單、穩(wěn)定，電解質(zhì)為酸性，克服了AFC中的CO2造成的電解質(zhì)變質(zhì)問題，可以使用煤燃料改質(zhì)而得到的含有CO2的改質(zhì)氣體。工作溫度150-200℃，比PEMFC和AFC略高。采用加壓水冷的冷卻方式，PAFC的冷卻系統(tǒng)就可以做得比較小，其排出的熱量還可以作為空調(diào)的暖風(fēng)，具有綜合效率約40%，比其他燃料電池低。成本高。PAFC的催化劑是貴金屬Pt。新能源汽車概論

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頁3.磷酸燃料電池（PhosphoricAcidFuelCell，PAFC）四、常見燃料電池（3）應(yīng)用PAFC是目前使用最多的燃料電池之一。采用PAFC的（50～250）kW的獨(dú)立發(fā)電設(shè)備可用于醫(yī)院、旅館等，作為分散的發(fā)電站。如燃料氣中CO含量過高，則催化劑容易毒化而失去催化活性，這也是阻礙其普及的主要原因。新能源汽車概論

第45

頁4.固體氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell，SOFC）四、常見燃料電池（1）原理

新能源汽車概論

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頁

陰極化學(xué)反應(yīng)

氧離子O2-通過電解質(zhì)隔膜，定向躍遷到陽極，陽極反應(yīng)

四、常見燃料電池4.固體氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell，SOFC）總化學(xué)反應(yīng)新能源汽車概論

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頁4.固體氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell，SOFC）四、常見燃料電池（2）特點(diǎn)效率非常高，熱電聯(lián)供時(shí)可達(dá)80%以上。SOFC的操作溫度也非常高，通常為（700～1000）℃。高溫對連接材料、密封材料的性能提出了更高要求，使得SOFC的價(jià)格居高不下。如何降低SOFC操作溫度成為關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)之一。新能源汽車概論

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頁4.固體氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell，SOFC）四、常見燃料電池（3）應(yīng)用

SOFC結(jié)構(gòu)簡單，效率也比其它燃料電池高很多。

SOFC對電解質(zhì)、電極、連接材料的要求近乎苛刻，這在一定程度上影響了SOFC的應(yīng)用。目前SOFC多用于獨(dú)立工作場所或偏遠(yuǎn)地區(qū)小型電廠。新能源汽車概論

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頁5.熔融碳酸鹽燃料電池（MoltenCarbonateFuelCell，MCFC）四、常見燃料電池（1）原理

熔融碳酸鹽作為電解質(zhì)，（600～700）℃溫度，碳酸鹽混合物成為高傳導(dǎo)性的熔融鹽；電解質(zhì)中CO32-離子自由流動，在電場作用下，從陰極流向陽極，提供離子傳導(dǎo)；在陽極，氫氣與從電解質(zhì)隔膜遷移過來的CO32-發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳和水，并釋放電子；陽極產(chǎn)生的電子通過外電路到達(dá)陰極，與氧氣和二氧化碳相結(jié)合，生成CO32-

。新能源汽車概論

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頁化學(xué)反應(yīng)式為陽極陰極總反應(yīng)四、常見燃料電池5.熔融碳酸鹽燃料電池（MoltenCarbonat